КАБЕЛЬНЫЙ ОБОГРЕВ

Обогрев труб и емкостей

При эксплуатации трубопроводов и ёмкостей возникают два типа задач обогрева:

  1. Поддержание температуры.
    Теплоизоляция трубопровода или ёмкости не устраняет полностью теплопотери, и при определённых условиях температура рабочей жидкости (газа) может опуститься ниже допустимой, или вообще замёрзнуть. Для компенсации теплопотерь можно использовать кабельный обогрев. 
  2. Разогрев жидкости.
    Для разогрева рабочей жидкости в трубе или ёмкости до требуемой температуры так же можно использовать нагревательный кабель.

Принцип электрического обогрева труб

Для возмещения тепловых потерь вдоль трубопровода прокладывается нагревательный кабель, подобранный таким образом, чтобы  погонная мощность тепловыделения была не меньше  потерь тепла на каждый погонный метр трубы. Выбранный кабель монтируется на трубе (или внутри нее), в нижней ее части. При использовании одного греющего контура – в положении 6 часов, при наличии 2-х контуров – в положении 10 и 4 часа (рис. 2).

В тех случаях, когда монтаж нагревательного кабеля в нижней части трубы невозможен, допускается использование альтернативных вариантов, например спиральное расположение кабеля (рис. 3). Однако такой способ менее технологичен, а потому не является предпочтительным. В сложных системах трубопроводов может быть задействовано несколько греющих контуров.

Поверх греющего кабеля крепится тепло- и гидроизоляция. Следует обратить особое внимание на надежность гидроизоляции, т.к. теплоизоляция не должна намокать или подвергаться механическому воздействию. Необходимо предусмотреть легкий доступ к таким элементам трубопроводов, как насосы, вентили и т.п.

Управление системой может осуществляться от простого выключателя или термостата, настроенного на необходимую температуру.

Последовательность проектирования систем обогрева труб и ёмкостей

  1. Определяющими параметрами для проектирования являются: необходимая температура жидкости,  минимальная эксплуатационная температура, предельные температуры материалов трубопровода и теплоизоляции, длина трубопроводов, химическая агрессивность среды и т.п. Сам процесс можно описать следующим алгоритмом:
  2. Определение тепловых потерь трубопроводов. Необходимо определить минимально возможную температуру окружающей среды и теплофизические характеристики используемых материалов (теплопроводность, теплоемкость, плотность и т.д.).
  3. Исходя из рабочей температуры среды, подбирается необходимый тип греющего кабеля (по максимальной рабочей температуре кабеля). Влияние на выбор оказывает так же агрессивность среды. Используемый в агрессивных средах греющий кабель должен иметь химически стойкую внешнюю изоляцию, при использовании кабеля во взрывоопасных зонах, необходим кабель во взрывоопасном исполнении.
  4. В соответствии с п. 1 определяется мощность, требуемая для обогрева погонного метра трубы, после чего  по каталогу (с учетом п. 2) выбирается нагревательный кабель с необходимой погонной мощностью.
  5. Рассчитывается необходимая длина греющего кабеля, мощность автоматов защиты и выполняется эскизный проект прокладки кабеля с учетом конструктивных особенностей конкретного трубопровода.

 

Схема промышленной системы обогрева трубопроводов

1. Шкаф управления
2. Силовой кабель
3. Монтажная коробка
4. нагревательный кабель
5. термопара с сигнальным кабелем

Определение тепловых потерь

Определение тепловых потерь для многослойной трубы (или емкости) с рабочей жидкостью, является классической задачей теплопроводности. Теплопотери через двухслойную цилиндрическую стенку на погонный метр вычисляются по формуле стационарного теплового потока.

Коэффициент теплоотдачи является функцией температуры среды, механических и теплофизических параметров и может колебаться в значительных пределах (для жидкостей ? = 200 … 7000).  Однако для большинства тепловых задач встречающихся в этой области данной составляющей можно пренебречь за её малостью.

Выбор нагревательного  кабеля

Для начала необходимо определить группу кабеля по максимально допустимой температуре. В соответствии с практикой, принятой в США существует три области применения, разбитые на классы.

Низкотемпературные ( как правило системы антизамерзания)
Используются низкотемпературные саморегулирующиеся, резистивные или зональные кабели
Максимальная рабочая температура 65oС
Пиковая температура (без нагрузки) 85oС
Средние температуры (трубопроводы с очисткой паром или с разогретыми теплоносителями)
Используются высокотемпратурные саморегулирующиеся, резистивные, зональные кабели, кабели с минеральной изоляцией
Максимальная рабочая температура 120oС
Пиковая температура (без нагрузки) 260o С
Высокотемпературные процессы
Используются кабели с минеральной изоляцией или ультравысокотемпературные резистивные кабели
Максимальная рабочая температура 400oС
Пиковая температура (без нагрузки) 600o С - 800oС

С учетом температурной группы кабеля и особенностей применения (механические или химические нагрузки, потребные длины контуров) выбираем марку кабеля, которая, как правило,  выпускается с несколькими мощностями. Например, кабель «CLT Nelson Limitrace» выпускается с погонной мощностью 9 Вт/м, 16 Вт/м или 26 Вт/м (при 10oС). Погонная мощность выбранного кабеля (при использовании нескольких контуров – суммарная погонная мощность) должна быть не менее величины тепловых потерь на метр погонный трубопровода.

   

Расчет укладки кабеля по трубопроводу

При расчете потребного количества кабеля необходимо вводить коэффициент на оформление элементов трубопроводов – вентилей, кронштейнов крепления и т.п. Поэтому длина контура при первичном расчете не должна превышать 75%  максимально допустимой длины. При линейной укладке в первом приближении можно считать, длину контура равной потребной длине обогрева, при спиральной укладке необходимо рассчитать длину с учётом шага укладки. На практике спиральная укладка на трубах используется довольно редко, так как она значительно сложнее, и как правило не даёт выигрыша по суммарной стоимости системы.

Необходимо принимать во внимание конструктивное решение элементов трубопроводов таких, как фланцы, изгибы, вентили, силовые кронштейны,  соединительные муфты кабеля, наличие которых увеличивает длину контура.

Укладка кабеля на трубопроводы и их элементы

Крепление греющего кабеля к трубе осуществляется двумя способами. Использование стеклопластиковой ленты более предпочтительно ввиду простоты этого метода. Алюминиевую ленту рекомендуется использовать для крепления на пластиковых трубах, поскольку ее применение позволяет уменьшить теплоизоляционный эффект пластика, увеличить теплоотдачу при использовании саморегулирующегося кабеля и лучше распределить тепло по поверхности трубы. При использовании полимерной изоляции или труб с полимерным покрытием необходимо учитывать термостойкость материала, которая не должна соответствовать тепловыделению нагревательного кабеля.

Арматура трубопровода требует специальных решений, т.к. большинство деталей и устройств являются либо дополнительными источниками тепловых потерь, либо элементами с перераспределением тепловых потоков.

Приведем несколько примеров.

  • Кронштейн крепления.
    Увеличивает потери тепла, поэтому рядом с ним необходимо сделать петлю из греющего кабеля.
  • Изгиб трубы.
    Греющий кабель проводится по внешнему (большему) радиусу.
  • Вентили.
    Источник дополнительных теплопотерь. Требуется укладка дополнительного количества кабеля

При укладке сложной системы может возникнуть необходимость наращивания длины контура. В месте соединения прогрев будет отсутствовать, поэтому перед соединительной муфтой необходимо сделать петлю.

Выбирая модель разветвителя или соединительной муфты, необходимо обращать внимание на ее пригодность для работы в конкретных условиях эксплуатации. Это связано с тем, что  производители часто разделяют области применения тех или иных конструкций на наружные элементы и элементы, используемые под теплоизоляцией.

Особенности обогрева пластиковых труб

При использовании труб из полимерных материалов необходимо учитывать два фактора.

  1. Материал, из которого изготовлена труба, должен выдерживать максимальную температуру кабеля без повреждений и потери работоспособности.
  2. Полимерный материал, как правило, является хорошим теплоизолятором, что ухудшает  прогрев трубы, и тепловыделение саморегулирующегося нагревательного кабеля. К пластиковой трубе кабель необходимо крепить алюминиевой лентой вдоль всей длины.

Особенности разогрева продуктов

При необходимости разогрева жидкости надо рассчитать количество тепла, необходимое для достижения нужной температуры. Для разогрева требуется значительно больше тепла, чем для поддержания температуры.

Разогрев большого количества теплоносителя за малый промежуток времени потребует высоких удельных мощностей, но часто в практике встречаются случаи, когда разогрев продукта нагревательным кабелем является наиболее эффективным способом.

Используемые нагревательные кабели и термостаты

Применяемые для обогрева труб решения сильно зависят от области, поскольку требования к надёжности и условия применения очень сильно отличаются в бытовом, строительном секторах и при промышленном обогреве.